zaochn_last
.pdfМИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ
ИМ. ПРОФ. М.А.БОНЧ-БРУЕВИЧА
ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ
ЧАСТЬ 2
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2007
Сергеев В.В., Павлов В.Я, Филин В.А., Глебова М.С., Зайцева З.В., Логвинова Н.К.,
Орлова Н.Ф.Теория электрических цепей: методические указания к лабораторным работам: Ч.2 Спб ГУТ. – Спб, 2007.
Рекомендовано к печати редакционно-издательским советом университета.
Методические указания предназначены для студентов всех специальностей при изучении курса «Теория электрических цепей». Содержат задания на самостоятельную подготовку перед выполнением лабораторных работ, задания для проведения экспериментального исследования и порядок работы с приборами, указания по подготовке к защите и контрольные вопросы для самопроверки.
Ответственный редактор З.В.Зайцева
Рецензент
2
ВВЕДЕНИЕ
Выполнение лабораторных работ складывается из следующих этапов: самостоятельная подготовка к работе, работа в лаборатории, оформление отчета, анализ результатов и защита.
При подготовке к работе студент должен изучить соответствующий теоретический материал, подготовиться к ответам на основные вопросы по теме, приведенные в описании работы, выполнить расчет по заданным исходным данным, построить необходимые графики, заготовить таблицы для записи результатов измерений.
Наряду с экспериментальными проводятся лабораторные работы по моделированию процессов в электрических цепях на персональных компьютерах.
В начале занятия преподаватель проверяет подготовку студентов к работе и дает разрешение на ее выполнение. Студенты, не изучившие теорию или не выполнившие предварительный расчет к лабораторной работе, к выполнению работы не допускаются.
По окончании измерений необходимо, не разбирая цепи, показать преподавателю результаты измерений. Закончив работу, студенты должны разобрать электрическую цепь, выключить приборы и привести в порядок рабочее место.
К следующему занятию студент должен оформить отчет по выполненной работе, а также подготовиться к ее защите.
Отчет по лабораторной работе должен содержать: цель работы, схемы измерений с указанием используемых приборов, расчетные формулы, таблицы результатов расчетов и измерений, расчетные и экспериментальные кривые и выводы по работе.
При подготовке к защите студент должен уметь объяснить и оценить полученные в работе результаты, а также уметь ответить на контрольные вопросы.
3
Лабораторная работа 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЦЕПИ, СОДЕРЖАЩЕЙ ОДИН РЕАКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И РЕЗИСТОР
1. Цель работы
Экспериментальное исследование переходных процессов в RC-цепи при воздействии прямоугольного импульса напряжения.
2. Задание на самостоятельную подготовку к работе
2.1.Изучите методы и результаты анализа переходных процессов в цепи, содержащей резистор и конденсатор.
2.2.Рассчитайте и постройте кривые изменения напряжений uc (t) и uR (t) для значений
R1, C1, соответствующие вашему номеру варианта (табл.1.1). Данные расчета занесите в табл.1.3. Для анализа переходного процесса при воздействии одиночного прямоугольного импульса удобно воспользоваться методом наложения, представив импульс суммой двух смещенных во времени скачков напряжения (рис.1.1), и записать искомую реакцию в следующем виде:
0≤ t ≤ tи |
y1(t) = y(t) |
t≥tи |
y2(t) = y(t) - y(t-tи) |
u1 (t)
U1
0 |
tu |
t |
|||
U1 |
|
|
|
|
|
0 |
|
tu |
|
|
|
|
|
|
t |
||
|
|
|
|
||
τ |
|
|
Рис. 1.1 |
||
|
|
||||
|
|
|
|
||
где y(t) - реакция исследуемой цепи при воздействии постоянного напряжения
y(t) uc (t) или y(t) uR (t) . Например, напряжение на емкости при включении цепи RC на постоянное напряжение U1
4
uc (t) = U1 (1 - e-t/τ), где τ = RC - постоянная времени цепи.
Следовательно, при воздействии прямоугольного импульса
uc (t)
uc (t)
|
(1 e |
t |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||||
) при 0≤ t ≤ tи |
|
||||||||
|
U 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1 |
|
|
tи |
|
(t tи) |
|
|
|
|
|
при t≥tи |
|
||||||
e |
|
)е |
(1.1) |
||||||
|
U1 |
|
|
|
|
|
|||
Выражение для тока i(t) и напряжения на резисторе uR (t) легко получить из (1.1) простым дифференцированием:
i(t)= C |
duc (t) |
, uR (t) i(t)R . |
(1.2) |
|
dt |
|
|||
Кривые uc (t) |
и uR (t) при воздействии прямоугольного импульса напряжения на цепь |
|||
приведены на рис. 1.2. |
|
|||
Uc(t) |
|
|
|
UR(t) |
U1 |
|
|
|
U1 |
0,63U1
|
|
|
0,37U1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
tu+τ |
0 τ |
tu |
tu+τ |
t |
0 τ |
tu |
t |
Риc.1.2
В интервале времени 0≤ t ≤ tи конденсатор заряжается и напряжение uc (t) растет. В свободном режиме t > tи происходит разряд конденсатора, и напряжение uc (t) убывает. Направление тока при этом противоположно направлению тока при заряде, что обуславливает скачок на кривой uR (t) при t= tи (рис.1.2).
Длительность разряда конденсатора (переходного процесса) практически определяется интервалом времени (3-5) τ.
Постоянная времени легко определяется графически по любой реакции, характеризующей переходный процесс. Численно она равна длине подкасательной или определяется на уровне 0,63 U1 по кривой uc (t) на уровне 0,37 U1 по кривой uR (t) (рис. 1.2).
5
2.3. Используя приведенные соотношения и данные табл. 1.1 для свого номера варианта, рассчитайте постоянную времени цепи для шести комбинаций R и С и заполните табл. 1.2. Сопротивление R3 (рис. 1.3) в расчетах не учитывать, так как R3 много меньше R.
Таблица 1.1
Значения параметров RC цепи
Номер |
Т сл, |
tи, мкс |
R1, Ом |
R2, Ом |
C1, мкФ |
C2, мкФ |
C3, мкФ |
варианта |
мкс |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1240 |
310 |
1500 |
680 |
0,10 |
0.036 |
0,28 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
1000 |
250 |
680 |
1500 |
0,08 |
0,028 |
0,22 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
880 |
220 |
680 |
470 |
0,12 |
0,04 |
0,36 |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
800 |
200 |
1000 |
1500 |
0,057 |
0,019 |
0,17 |
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
720 |
180 |
1000 |
680 |
0,072 |
0,024 |
0,21 |
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
640 |
160 |
1500 |
1000 |
0,048 |
0.016 |
0,14 |
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
600 |
150 |
1000 |
470 |
0,075 |
0,027 |
0,21 |
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
560 |
140 |
560 |
1000 |
0,069 |
0,023 |
0,20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
480 |
120 |
470 |
1000 |
0,058 |
0,02 |
0,16 |
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
400 |
100 |
1000 |
1500 |
0,03 |
0,01 |
0,09 |
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
360 |
90 |
470 |
680 |
0,056 |
0,019 |
0,16 |
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
340 |
85 |
680 |
1000 |
0,036 |
0.012 |
0,11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
13 |
320 |
80 |
560 |
1500 |
0,034 |
0.013 |
0.18 |
|
|
|
|
|
|
|
|
6
Таблица 1.2
Таблица расчетных и экспериментальных данных
Задано |
|
|
R1= |
Ом |
|
R2= |
Ом |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С1= |
|
С2= |
|
С3= |
С1= |
|
С2= |
|
С3= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мкФ |
|
мкФ |
|
мкФ |
мкФ |
|
мкФ |
|
мкФ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Теоретически |
|
τ, мкс |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Эксперимен- |
|
τ, мкс |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тально |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1.3
Данные предварительного расчета
|
|
|
0 ≤ t ≤ tи |
|
|
|
|
|
|
|
|
t≥tи |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t/τ |
t, |
|
|
t |
|
uc1(t) , |
uR1(t) , |
|
|
и |
|
t, |
|
|
(t tи ) |
|
uc1(t) , |
uR1(t) , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
мкс |
|
|
|
|
мкс |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
e |
|
|
В |
В |
|
|
|
|
е |
|
|
В |
В |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,67 |
|
|
|
|
|
|
|
0,67 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,00 |
|
|
|
|
|
|
|
1,00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,33 |
|
|
|
|
|
|
|
1,33 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2,00 |
|
|
|
|
|
|
|
2,40 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2,40 |
|
|
|
|
|
|
|
3,00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3,00 |
|
|
|
|
|
|
|
5,00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7
3. Задание для экспериментальной работы
3.1. Экспериментальное исследование переходного процесса в RC-цепи выполняется с помощью генератора прямоугольных импульсов Г5-60 и осциллографа С1-83. Подготовьте к работе осциллограф и генератор. В соответствии с номером своего варианта и табл. 1.1 установите на генераторе Tсл и длительность tи, амплитуду
U1=1 В.
3.2.Получите устойчивое изображение прямоугольного импульса на экране осциллографа размером 3х3 дел.
3.3.Снимите осциллограммы напряжений на элементах последовательной RC-цепи при воздействии прямоугольного импульса и различных значениях R и С. Для снятия осциллограмм напряжения на емкости соберите схему, приведенную на рис. 1.3. Для снятия осциллограмм напряжения на резисторе – схему, приведенную на рис. 1.4.
1-й канал
Г5-60
C1-83
2-й канал
Вых.
R
С
R3=50 Ом
Исследуемая цепь
Рис. 1.3
8
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1-й канал |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Г5-60 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C1-83 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вых. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2-й канал |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
R3=50 Ом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Исследуемая цепь
Рис. 1.4
4. Указания к защите
4.1.По снятым осциллограммам определите постоянные времени исследуемых цепей и сравните их с расчетными. Результаты запишите в табл. 1.2.
4.2.Отчет должен содержать:
-схемы измерений,
-таблицу расчетных и экспериментально измеренных значений постоянных времени исследуемых цепей,
-табл. 1.3 рассчитанных значений uc (t) и uR (t) ,
- графики uc (t) и uR (t) , построенные по данным, приведенным в табл. 1.3
-осциллограммы снятых в ходе эксперимента напряжений, по которым определены постоянные времени цепи.
9
Контрольные вопросы
1.Назовите причины возникновения переходных колебаний.
2.При каком условии переходный процесс называют свободным?
3.Сформулируйте законы коммутации.
4.Составьте дифференциальное уравнение, описывающее переходный процесс в последовательной RC-цепи, найдите его решение.
5.Как графически найти постоянную времени цепи?
6.Как практически оценивается время переходного процесса?
7.Нарисуйте кривые изменения uc (t) и uR (t) в последовательной RC-цепи при
воздействии одиночного прямоугольного импульса напряжения.
5.8. Как влияют изменения параметров R и С на переходный процесс в последовательной цепи?
Лабораторная работа 2
АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
ВПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ КОЛЕБАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ
сиспользованием программы FASTMEAN
1.Цель работы
С помощью программы FASTMEAN смоделировать переходные процессы в последовательном колебательном контуре и исследовать влияние параметров контура на режимы колебаний.
2. Задание на самостоятельную подготовку к работе
2.1.Изучите теоретические вопросы, связанные с анализом переходных колебаний в последовательном колебательном контуре.
2.2.Каковы особенности анализа колебаний в последовательном колебательном контуре при воздействии прямоугольного импульса?
2.3.В соответствии со своим номером варианта выпишите из табл. 2.1 значения параметров RLC-контура (рис. 2.1) и рассчитайте значение Скр, при котором возникает
критический режим, используя соотношение Rкр= 2 
CL . Полученное значение Скр
запишите в табл. 2.3.
10